CDH

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Einleitung

Cellobiose-Dehydrogenase (CDH) ist ein extrazelluläres Häm-Flavoenzym, das von Pilzen sezerniert wird, um lignocellulolytische Enzyme beim Abbau von Biomasse zu unterstützen. Ihre katalytische Flavodehydrogenase-(DH)-Domäne ist ein Mitglied der Glucose-Methanol-Cholin-Oxidoreduktase-Familie und ähnelt der Glucoseoxidase. Die katalytische Domäne ist mit einer N-terminalen, elektronenübertragenden Cytochrom-(CYT)-Domäne verknüpft, die mit der lytischen Polysaccharid-Monooxygenase (LPMO) bei der oxidativen Depolymerisation von Cellulose und Hemicellulose interagiert.

Klassifikationen

Auf Basis der Sequenzanalyse von CDH wurden vier phylogenetische Klassen definiert. CDHs dieser Klassen weisen unterschiedliche strukturelle und katalytische Eigenschaften hinsichtlich Cellulosebindung, Substratspezifität sowie der pH-Optima ihrer katalytischen Reaktion bzw. des interdomänen Elektronentransfers zwischen der DH- und der CYT-Domäne auf. Struktur, Reaktionsmechanismus und Kinetik von CDHs der Klasse I und Klasse II wurden detailliert charakterisiert, und die rekombinante Expression ermöglicht Anwendungen in zahlreichen Bereichen, z. B. in Biosensoren, Biobrennstoffzellen, der Biomassehydrolyse, biosynthetischen Prozessen sowie der antimikrobiellen Funktionalisierung von Oberflächen.

Biologische Funktion

Die Zwei-Domänen-Struktur der CDH, bestehend aus einer flavinhaltigen Dehydrogenase-Domäne (DH) und einem Häm-b-haltigen Cytochrom (CYT), die über einen proteaseempfindlichen Linker verbunden sind, führte zu Spekulationen über die natürliche Funktion des Enzyms und seine Rolle bei der Depolymerisation von Lignocellulose. Die Fähigkeit der CDH, Eisen in die zweiwertige (ferro-) Form zu reduzieren, sowie ihre geringe Oxidaseaktivität mit Bildung von Wasserstoffperoxid bildeten die Grundlage der am stärksten unterstützten physiologischen Funktionshypothese, wonach CDH am Celluloseabbau beteiligt ist, indem sie Substrate für die Fenton-Reaktion zur Erzeugung von Hydroxylradikalen bereitstellt. Es wurde gezeigt, dass die Bildung reaktiver Hydroxylradikale zum Abbau von Cellulose fähig ist, und sie gilt als ein Schlüsselmechanismus beim Biomasseabbau durch Braunfäulepilze. Für alle diese vorgeschlagenen Mechanismen wäre jedoch die Aktivität der isolierten DH-Domäne ausreichend, und die Notwendigkeit der Anwesenheit der CYT-Domäne bleibt unerklärt.

Bioelektrochemische Anwendungen

Der Einsatz von Enzymen als Katalysatoren in verschiedenen bioelektrochemischen Geräten, wie Biosensoren und Biobrennstoffzellen, hat die Forschung mit Fokus auf CDH aufgrund der einzigartigen elektrokatalytischen Eigenschaften dieser Proteinklasse vorangetrieben. Der Elektronentransfer zwischen katalytisch aktiven Enzymen und Elektroden kann durch Verwendung einer elektrochemisch aktiven Verbindung erreicht werden, die durch den enzymatischen Umsatz gebildet wird, anschließend mit der Elektrode reagiert und als Biosensor-Architektur der ersten Generation bezeichnet wird. In Biosensoren der zweiten Generation wird der Elektronentransfer durch Integration eines Redoxmediators (MET) realisiert, entweder mittels frei diffundierender redoxaktiver Spezies oder (üblicherweise osmium-modifizierter) Polymere. In der Konfiguration der dritten Generation wird ein direkter Elektronentransfer (DET) durch den direkten Transport von Elektronen vom Redoxzentrum des Enzyms zur Elektrode ohne Zwischenstufen erreicht.

CDH als Bioelektrokatalysator

CDH weist verschiedene Eigenschaften auf, die sie zu einem geeigneten Elektrokatalysator für Biosensoren oder Biobrennstoffzellen machen. Im Gegensatz zu anderen GMC-Oxidoreduktasen zur Kohlenhydratumsetzung kann sie sowohl über mediierte Elektronenübertragung (MET) als auch über direkten Elektronentransfer (DET) kontaktiert werden. CDH-basierte Biosensoren der zweiten und dritten Generation wurden entwickelt, um kommerziell oder medizinisch relevante Moleküle wie Glucose oder Lactose zu quantifizieren. Der Vorteil von Biosensoren der zweiten Generation ist ihre hohe Sensitivität, während der Vorteil von Biosensoren der dritten Generation in der Vermeidung von Redoxmediatoren in implantierbaren Systemen zur Glucoseüberwachung liegt. CDH-basierte Biosensoren der dritten Generation bieten eine robuste Leistungsfähigkeit, da CDH und die mobile CYT-Strukturdomain eine gute thermische und Umsatzstabilität aufweisen, mit vielen Elektrodenmaterialien und Oberflächenmodifikationen interagieren können und ausreichend hohe Stromdichten liefern.